螯合劑對油葵修復鎘砷復合污染土壤的影響

韓 廿，黃益宗*，魏祥東，鐵柏清，張盛楠，王丙爍，保瓊莉，黃永春

（1.農業農村部環境保護科研監測所，天津 300191；2.湖南農業大學資源環境學院，長沙 410128）

我國耕地資源十分匱乏，土壤污染形勢也十分嚴峻，據報道目前我國受鎘、砷、鉻、鉛等重金屬污染的耕地面積近2000萬hm2，約占總耕地面積的1/5，我國土壤各種污染物超標點位占調查總點位的16.1%；而耕地土壤點位超標率高達19.4%，污染形勢不容樂觀[1]。每年因土壤重金屬污染帶來的糧食減產超過1000萬t，被重金屬污染的糧食約1200萬t，經濟損失超200億元[2-3]。工業化和城市化進程的加快，礦產資源的不斷開采，導致大量的重金屬污染物進入生物圈，對人類健康和整個生態系統構成嚴重威脅[4-5]。重金屬可通過食物鏈進入人體，且不同重金屬元素對人體健康的危害不同。重金屬污染物進入土壤后難以被降解，其具有隱蔽性、不可逆性、累積性等特點，對動植物的生存、人類健康及社會發展存在極大危害[6]。由此可見，有效地修復土壤重金屬污染意義重大。

目前，國內外已開展較多的重金屬污染土壤修復技術研發，主要以化學鈍化修復技術、植物修復技術和農藝修復技術為主。植物修復技術是指利用植物提取、吸收、分解、轉化和固定土壤重金屬污染物技術的總稱，具有成本低廉、效果較好、環境友好等特點。其中植物提取是利用富集或超富集植物吸收和轉運重金屬，并累積在植物地上部，隨后收獲地上部分并集中處理的技術[7]，該技術應用最為廣泛，適用于修復大面積、中輕度重金屬污染的土壤。超富集植物（Hyperaccumulator）是指相對于普通植物能從土壤或水體中吸收富集高含量的重金屬，并具有將重金屬從植株的地下部向地上部大量轉運的特殊能力，表現出很高的富集系數[8]。由于各種重金屬在地殼中的豐度及在土壤和植物中的背景值存在較大差異，因此對不同重金屬的超富集植物富集濃度界限也有所不同。目前采用較多的為Baker和Brooks于1983年提出的參考值，即把植物葉片或地上部（干質量）中含Cd達到100 μg·g-1，含Co、Cu、Ni和Pb達到1000 μg·g-1，Mn和Zn含量達到10 000 μg·g-1以上的植物稱為超富集植物。同時這些植物還應滿足S/R＞1的條件（S和R分別指植物地上部和根部重金屬的含量）[9]。目前已經發現有400種超富集植物可以用來提取土壤中的重金屬，但是超富集植物通常植株較小、生物量少，修復土壤重金屬效率較慢。而采用一些生物量較大、符合當地種植條件、有較強重金屬耐受能力的富集植物比一些超富集植物在應用和修復潛力上有更明顯的優勢，并且在有效治理重金屬污染土壤的同時又能帶來顯著的經濟收益。

油葵為一年生草本植物，屬菊科，為向日葵的一種，是一種適應性廣、耐鹽堿、耐干旱、耐瘠薄的油料作物，其抗逆性強、生育期短、產值高，且籽粒含油量高、品質優良。重金屬對植物的生理生長有一定的影響[4]。據報道，油葵在污染土壤中能夠正常生長，沒有出現明顯的毒害現象，產量不受影響，而且因其地上部分生物量大，能夠吸收積累大量的多種重金屬[9]。油葵對Cd污染土壤具有一定的耐性，并且對Cd具有較強的吸收潛力。據Chen等[10]研究表明，向日葵地上部對Cd的積累量超過100 mg·kg-1。牛之欣等[11]研究表明，水培條件下向日葵根系與地上部對Cd的富集系數隨重金屬濃度的增加而減小，而Cd富集量則相反。楊洋等[12]報道，大田試驗中油葵對Cu、Cd和As的提取量明顯高于玉米和油菜。近年來有大量報道利用螯合劑來提高植物對土壤重金屬的提取效率。螯合劑是指分子骨架上帶有螯合功能基團，即含有多個配位原子功能基團的高分子化合物，分為天然低分子量有機酸和多羧基氨基酸2大類。氨基多羧酸類（APCAs），如人工合成的螯合劑EDTA（乙二胺四乙酸）、DTPA（二乙三胺五乙酸）、HEDTA（羥乙基替乙二胺三乙酸）、EGTA（乙二醇雙四乙酸）、DHA（乙二胺二乙酸）、CDTA（環已烷二胺四乙酸），以及天然螯合劑［S，S］-EDDS（S，S］-乙二胺二琥珀酸）和NTA（二乙基三乙酸）等[13]。APCAs由于其螯合能力較強而被推廣使用，尤其是EDTA。螯合劑對油葵修復農田Cd、As污染土壤的影響較少有報道，本文基于大田試驗研究施用不同螯合劑對油葵修復Cd、As復合污染土壤的影響，找出可提高油葵修復重金屬的螯合劑，為農田Cd、As污染防治提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試植物：油葵（Helianthus annuus Linn.），品種為油圣（S606f1）。

供試螯合劑：NTA（分析純）購于西隴科學股份有限公司；EGTA（分析純）和EDDS（分析純）購于酷爾化學科技（北京）有限公司：EDTA（分析純）購于合肥巴斯夫生物科技有限公司。

1.2 試驗設計

試驗在湖南瀏陽市焦溪鄉常豐村沙德組（113°52.504′E，28°22.983′N）污染農田進行，土壤 pH值5.59，有機質含量31.40 g·kg-1，陽離子交換量12.30 cmol·kg-1，總 Cd 含量0.91 mg·kg-1，總As含量107.73 mg·kg-1。設置5個處理：對照（CK）、EDTA、EGTA、EDDS和NTA，螯合劑使用量均為1.5 g·m-2。每個處理的試驗小區面積為30 m2，4次重復，各處理小區隨機區組排列。按照當地種植習慣進行油葵種植，2018年7月15日開始在小區中撒播油葵種子，油葵生長75 d后開始施用螯合劑。螯合劑以溶液的形式施入到根際土壤中，處理21 d后對根際土壤和植物樣品進行采集。

1.3 樣品采集及指標測定

在每個小區中采集有代表性的油葵5～10株，分根系、莖、葉、花盤和籽粒收集樣品，并采集油葵的根際土壤。根際土壤和植物樣品分別做好標記，運回實驗室。植物在105℃下殺青30 min，然后在70℃下烘干至恒質量，分別稱量根系、莖、葉、花盤和籽粒的干質量。

植物樣品化學分析前需對其進行消化處理。植物樣品經萬能粉碎機磨細，過0.25 mm的尼龍篩，稱量0.250 g樣品放入干燥潔凈的聚四氟乙烯消煮管中，加入7 mL純硝酸浸泡過夜，在開放式消煮爐110℃下消解4 h，趕酸直至溶液體積小于1 mL，消化好的樣品用去離子水定容至25 mL。溶液中的As濃度采用氫化物-非色散原子熒光法（GB/T 17135—1997）測定，Cd濃度采用原子吸收儀（AAS，ZEEnit 700，Analytikjena，德國）測定。

根際土壤樣品在室內自然風干，除去其中的石塊、植物根系和凋落物等，并研磨過0.15 mm尼龍篩。Cd含量測定：稱取0.25 g根際土壤樣品置入干燥潔凈的聚四氟乙烯消煮管中，加入10 mL硝酸和4 mL氫氟酸浸泡過夜，在開放式消煮爐120℃下消解30 min后升溫至150℃再消解3 h趕酸至體積小于1 mL，消化好的樣品用去離子水定容至25 mL，采用原子吸收儀（AAS，ZEEnit 700，Analytikjena，德國）測定溶液中的Cd含量。As含量測定：稱取0.25 g根際土壤樣品置入干燥潔凈的聚四氟乙烯消煮管中，加入8 mL王水浸泡過夜，在開放式消煮爐100℃下消解4 h，定容至25 mL，采用氫化物-非色散原子熒光法（GB/T 17135—1997）測定溶液中的As含量。

1.4 數據處理及統計

油葵各器官Cd（或As）積累量：

積累量=Cd（或As）含量×相應器官的干質量（g）

油葵根-莖、莖-葉、葉-花盤和花盤-籽粒轉移Cd（或As）的能力用轉運系數（Translocation factor，TF）表示：

TF根-莖=莖Cd（或As）含量/根Cd（或As）含量TF莖-葉=葉Cd（或As）含量/莖Cd（或As）含量TF葉-花盤=花盤Cd（或As）含量/葉Cd（或As）含量TF花盤-籽粒=籽粒Cd（或As）含量/花盤Cd（或As）含量

植物重金屬的富集系數是判斷其修復土壤重金屬能力的一個重要因素[14]。植物Cd（或As）的富集能力用富集系數（Bio-accumulating factor，BAF）表示：

BAF各器官=各器官Cd（或As）含量/根際土壤Cd（或As）含量

采用Excel作圖并用SPSS 8.0對數據進行統計分析和差異顯著性比較。

2 結果與分析

2.1 不同螯合劑對油葵生物量的影響

表1為不同螯合劑處理對油葵各器官生物量（以干質量計）的影響，從表中看出，施用不同螯合劑對油葵的根、莖、葉、花盤和籽粒生物量均沒有產生影響（P＜0.05），說明本試驗的螯合劑使用量對油葵的生長沒有產生毒害作用。

2.2 不同螯合劑對油葵吸收積累和轉運Cd的影響

由圖1可以看出，施用不同螯合劑對油葵籽粒和莖中Cd含量影響不顯著（P＞0.05），葉片中除了施用NTA處理Cd含量比CK處理顯著提高30.6%以外（P＜0.05），其他螯合劑處理均對油葵葉片中Cd含量沒有產生顯著影響。油葵花盤中，施用NTA、EGTA、EDDS、EDTA處理導致花盤Cd含量分別比CK處理顯著提高30.2%、55.1%、41.9%和43.3%（P＜0.05）。油葵根系中，除了NTA外，EGTA、EDDS、EDTA處理均導致根系中Cd含量比CK處理顯著提高，提高幅度分別為56.1%、50.4%和102.4%。

表1 不同處理的螯合劑對油葵各器官生物量的影響Table 1 Effect of different treatments of chelating agents on biomass of oil sunflower

圖1 不同螯合劑對油葵植株Cd含量的影響Figure 1 Effect of different chelating agents on concentrations of Cd in oil sunflower plants

不同螯合劑對油葵植株器官積累Cd的影響見表2。在油葵根系中，EGTA和EDTA處理導致根系中Cd積累量比CK處理顯著提高60.1%和112.3%，其他兩種螯合劑對油葵根系Cd積累量影響不顯著。施用不同螯合劑對油葵莖和籽粒中Cd積累量沒有產生顯著影響（P＞0.05）。NTA處理顯著提高油葵葉片Cd積累量達42.8%，其他螯合劑處理對油葵葉片Cd積累量影響不顯著。施用EGTA、EDDS和EDTA處理分別使油葵花盤Cd積累量比CK處理顯著提高55.0%、51.2%和48.9%。施用NTA、EGTA、EDDS和EDTA處理使油葵植株總Cd積累量由CK處理的207.12 μg提高到 275.07、301.00、291.04 μg和 293.35 μg，分別提高了32.8%、45.3%、40.5%和41.6%，說明施用這幾種螯合劑均能提高油葵植株對Cd的吸收積累。

表2 不同螯合劑對油葵植株積累Cd的影響Table 2 Effect of different chelating agents on accumulation of Cd in oil sunflower plants

從圖2可以看出，油葵成熟期花盤對Cd的富集系數較高，根系對Cd的富集系數較低。施用4種螯合劑對油葵根系和花盤Cd富集系數均影響顯著（P＜0.05），而對莖和籽粒中Cd富集系數影響不顯著。對于油葵根系，EDTA的施用使根部Cd富集系數提高最為顯著，與CK處理相比提高98.1%（P＜0.05），其他3種螯合劑處理相較于CK使Cd富集系數顯著提高32.6%～55.9%（P＜0.05）。在油葵花盤中，與CK處理相比4種螯合劑處理對Cd富集系數顯著提高30.2%～55.1%（P＜0.05），其中施用EGTA處理Cd富集系數提高最為顯著。在油葵葉片中，NTA的施用使葉片Cd富集系數比CK處理顯著提高30.6%（P＜0.05），其他螯合劑處理影響不顯著。不同螯合劑對油葵植株Cd轉運系數的影響見表3，可以看出，4種螯合劑對油葵Cd根-莖、莖-葉、葉-花盤和花盤-籽粒的轉運系數影響均不顯著（P＞0.05）。

表3 不同螯合劑對油葵植株Cd轉運系數的影響Table 3 Effect of different chelating agents on TF of Cd in oil sunflower plants

2.3 不同螯合劑對油葵吸收積累和轉運As的影響

如圖3所示，不同螯合劑對油葵植株各器官As含量的影響不一致。在油葵根系中，與CK處理相比，施用NTA、EGTA、EDDS和EDTA使油葵根系As含量分別提高23.6%、18.1%、15.6%和15.4%（P＜0.05），施用NTA提高效果最明顯。油葵莖中，施加EDDS和EDTA使油葵莖As含量顯著提高21.7%和10.3%，其他兩種螯合劑處理影響效果不顯著。油葵葉片中施用EDDS和EDTA使葉片As含量比CK處理分別顯著提高14.5%和14.9%，而施用EGTA和EDDS對油葵葉片As含量影響沒有達到顯著水平。4種不同螯合劑的施用對油葵根、莖、葉和植株總As積累量沒有顯著影響（表4，P＞0.05）。

圖4為不同螯合劑對油葵植株富集As的影響，如圖所示，油葵根系和葉的As富集系數高于莖，4種螯合劑的施用對油葵根、莖和葉中As富集系數影響不一致。其中，在油葵根系中，與CK處理相比，4種螯合劑處理均導致根系As富集系數顯著提高（P＜0.05），提高幅度為15.4%～23.5%，其中NTA提高效果最明顯。油葵莖中，EDDS處理的As富集系數比CK處理顯著提高21.6%（P＜0.05），其他螯合劑處理提高效果不顯著。在油葵葉片中，除了EGTA以外，其他3種螯合劑處理（NTA、EDDS和EDTA）均比CK處理顯著提高葉片As的富集系數，提高幅度為11.5%～14.8%。由于油葵的花盤和籽粒沒有檢測出As，所以沒有討論葉-花盤和花盤-籽粒的As轉運系數。表5所示，施用4種不同螯合劑處理對油葵根-莖、莖-葉As轉運系數影響均不顯著（P＞0.05）。

表4 不同螯合劑對油葵植株積累As的影響Table 4 Effect of different chelating agents on accumulation of As in oil sunflower plants

圖2不同螯合劑對油葵植株富集Cd的影響Figure 2 Effects of different chelating agents on BAF of Cd in oil sunflower

2.4 螯合劑施用后對根際土壤Cd、As含量的影響

圖5 為不同螯合劑施用后對根際土壤中Cd和As含量的影響。從圖中看出，NTA和EDTA處理均顯著降低根際土壤As含量，EDTA對根際土壤Cd含量降低效果也很顯著，而EGTA和EDDS對根際土壤Cd和As含量影響不顯著。與CK處理相比，EDTA處理使根際土壤Cd含量降低25.0%，NTA和EDTA處理使根際土壤As含量分別降低18.1%和14.3%。

表5 不同螯合劑對油葵植株As轉運系數的影響Table 5 Effect of different chelating agents on TF of As in oil sunflower plants

圖3 不同螯合劑對油葵植株As含量的影響Figure 3 Effect of different chelating agents on the concentrations of As in oil sunflower plants

圖4 不同螯合劑對油葵植株富集As的影響Figure 4 Effect of different chelating agents on BAF of As in oil sunflower plants

3 討論

通常植物提取土壤中的重金屬由兩個因素決定，即植物對重金屬的富集能力和植物的生物量[15]，而植物的生物量和生物富集系數（BCF）又是衡量一種植物是否具有修復潛力的關鍵要素[16]。植物通過根系吸收將重金屬從土壤中轉移到地上部的莖、葉等器官，植物各器官中的重金屬含量表明了植物修復重金屬效率的高低[17-18]，試驗中油葵各器官Cd和As的富集系數在0.005～3.4之間。高生物量是植物從土壤中提取重金屬的根本保障，是重金屬修復效率提高的關鍵因素[19]。油葵自身根系發達、生長迅速、生物量大、對重金屬耐受性強，在本試驗的Cd和As復合污染農田條件下能正常生長，沒有出現重金屬的毒害癥狀。本試驗中成熟期油葵單株總干質量均在130 g左右，Cd最大提取量為301 μg·株-1，而一些超富集植物如藿香薊在生長環境良好的盆栽試驗中單株總干質量不大于10 g[20]，東南景天為5.86～8.94 g，黑麥草、玉米和大豆為 1.44～12.78 g[21]，芥菜為 0.36～0.46 g[22]，在中度Cd、As復合污染土壤中油菜Cd每株提取量為132.00 μg，As每株提取量為50.00 μg。由此可見，在生物量和提取量這兩方面油葵較其他富集植物和超富集植物有較大優勢。施用4種螯合劑對油葵的根、莖、葉、花盤和籽粒生物量均沒有顯著影響，說明本試驗的螯合劑使用量對油葵生長是安全的。

螯合劑可提高植物對重金屬的提取效率，其機理為：螯合劑可促使土壤重金屬離子解吸和溶解，其對重金屬具有良好的活化效果，能與重金屬產生化學作用進而生成溶解于土壤溶液中的絡合物，使土壤重金屬的形態，由穩定的重金屬形態轉化為生物可利用形態[23]。本試驗施用NTA、EGTA、EDDS和EDTA 4種螯合劑均不同程度地提高了油葵對Cd和As的吸收積累，提高了其對土壤Cd和As的提取效率。NTA是一種可生物降解的螯合劑，其降解速率與檸檬酸一樣快，并且能在厭氧和低溫條件下快速降解。盡管NTA螯合重金屬的能力弱于EDTA，但是與低分子量有機酸（檸檬酸和草酸）相比依然是一個強的螯合劑。白薇楊等[24]通過盆栽試驗發現，NTA-EDTA的配合施用能不同程度地提高茼蒿根系和地上部的Pb、Cu和Cd含量。Pe?alosa等[25]報道，NTA能夠提高羽扇豆對重金屬離子的吸收積累，尤其是對As、Pb和Cd的效果更加明顯。有研究發現NTA對Cu的活化效果最好，對其他重金屬活化能力稍差[26]。Lan等[27]利用EDDS、NTA和APAM（陰離子聚丙烯酰胺）輔助植物修復Cd污染土壤，發現添加這幾種螯合劑均顯著提高豨薟根系和莖葉的Cd含量。EGTA作為一種人工合成的螯合劑，與Cd能形成較穩定的絡合物，是修復Cd污染土壤較理想的螯合劑[28-30]。張磊[31]報道在Cd污染土壤中添加EGTA，可顯著提高棉花植株地上部分對Cd的積累量。夏涓文等[32]采用盆栽試驗研究EGTA和有機酸配施對黃麻提取Cd的影響，發現EGTA和有機酸配施促進黃麻的生長，提高黃麻對Cd的吸收積累，均與本試驗的結果相似。EDDS是由多種微生物合成產生的一種天然多羧基氨基酸。有研究比較了EDDS和EDTA的優點，認為EDDS生物降解能力較強，是一種環境友好的螯合劑，有望成為EDTA的替代品。EDDS可提高土壤重金屬的溶解性，增強重金屬由植物根系向地上部的轉運，從而提高植物修復重金屬的效率，但其作用也因植物和重金屬種類的不同而變化[33]。Moslehi等[34]研究EDDS對向日葵修復Cd和Pb污染土壤的影響，結果表明，與對照相比200 mg·kg-1EDDS提高向日葵莖中Pb含量9.27%，這與本試驗中施用螯合劑提高油葵莖部As含量和花盤Cd含量相似。劉金等[35]等報道，施加EDDS可增強苧麻對污染土壤Cd的修復效果，但低濃度EDDS對苧麻修復Pb污染土壤效果較差。本試驗中施用EDDS可提高油葵對Cd和As的吸收積累，與大多數研究結果相一致。EDTA作為螯合劑強化植物提取重金屬的研究已有大量報道。Luo等[36]發現添加5 mmol·kg-1的EDTA 2 d后，土壤中可溶性Cu、Pb、Zn和Cd的含量分別比對照提高102、496、5倍和114倍。石旻飛等[37]研究發現，添加EDTA能不同程度地促進東南景天對Cd的吸收和轉運。Kalyvas等[38]研究EDTA強化蜈蚣草修復重金屬污染土壤的影響，得出EDTA提高蜈蚣草葉片As含量55%、Zn含量4倍和Pb含量9倍。

圖5 不同螯合劑對根際土壤中Cd和As含量的影響Figure 5 Effect of different chelating agents on the concentrations of Cd and As in soil

4 結論

（1）施用螯合劑可影響油葵對Cd和As的吸收積累，但對油葵各器官影響不同。NTA、EGTA、EDDS和EDTA處理導致油葵花盤Cd含量分別比CK處理提高30.2%、55.1%、41.9%和43.3%，油葵根系As含量分別提高23.6%、18.1%、15.6%和15.4%，油葵植株總Cd積累量分別提高32.8%、45.3%、40.5%和41.6%。

（2）EGTA和EDDS處理對根際土壤Cd、As含量影響不顯著，而施用NTA使根際土壤As含量比CK處理降低18.1%，EDTA處理使根際土壤Cd、As含量分別降低25.0%和14.3%。